텍사스 주립대학교 연구진이 무선 셀룰러 네트워크와 레이더 시스템에 사용되는 무선 주파수(RF) 반도체의 비용을 낮추고 성능을 향상시킬 수 있는 혁신적인 제조 기술을 개발했다. 이번 연구는 무선 네트워크에서 고주파 신호를 증폭하고 전송하는 데 사용되는 질화갈륨(GaN)-실리콘 반도체 칩의 오랜 약점을 해결하는 단서를 제공한다.
수년간 실리콘의 성능 한계는 고성능 질화갈륨 반도체의 가격 경쟁력 향상을 가로막는 걸림돌이었다. 하지만 텍사스과학기술대학교(TXST) 연구·창업·과학기술센터(CREST)의 에드윈 L. 피너 박사(교수 겸 CREST 소장) 연구진은 아토메라(Atomera Incorporated)와의 협력을 통해 이러한 난제를 해결하고, 향상된 성능을 갖추면서도 비용은 낮추고 에너지 효율을 높인 반도체 부품 개발의 길을 열었다.
“실리콘 위에 GaN을 증착하는 방식은 역사적으로 무선 주파수 성능과 소자 효율 측면에서 한계를 보여왔다.”라고 언급한 피너 교수는 “텍사스 주립대학교와 아토메라의 협력은 이러한 한계를 극복하여 에너지 소비를 줄이고 첨단 시장 응용 분야에 적용될 소자를 개발할 수 있게 되었다.”라고 설명했다.
GaN 기반 반도체는 고주파 및 고출력 환경에서 작동할 수 있는 특성 때문에 무선 통신 네트워크, 위성 시스템, 레이더 플랫폼 및 기타 고주파 전자 장치와 같은 기술에 널리 사용된다. 탄화규소 기판으로 제작된 소자는 뛰어난 성능을 제공하지만, 높은 제조 비용으로 인해 광범위한 적용이 제한적이었다. 실리콘 기판은 저렴한 대안을 제공하지만, 원치 않는 전기적 특성으로 인해 탄화규소 기판에 비해 성능이 떨어지는 경우가 많았다.
이 문제를 해결하기 위해 연구진은 아토메라(Atomera)의 미어스 실리콘 기술(MST)을 테스트했다. MST는 실리콘 웨이퍼 내부에 얇고 산소가 풍부한 층을 추가하는 제조 공정이다. 이 층은 반도체 제조 과정에서 갈륨과 알루미늄 원자가 실리콘 내부로 이동하는 것을 막는 장벽 역할을 한다. 이 장벽이 없으면 이러한 원자들은 원치 않는 전류 경로를 만들어 신호 손실, 왜곡, 그리고 고주파 장치의 효율 저하를 초래할 수 있다.
이 문제를 해결하기 위해 피너 교수와 그의 연구팀( 조나단 W. 앤더슨 박사, 다니엘 베일리, 가네시 아리알(재료과학, 공학 및 상용화 박사 과정 학생))은 MST 확산 장벽을 사용한 경우와 사용하지 않은 경우 모두에서 반도체 구조를 성장시키고 테스트했다. 그 결과, MST는 기존의 GaN-on-silicon 구조에 비해 계면 전하(서로 다른 물질이 만나는 지점에 축적되는 불필요한 전기 전하)를 10배 이상 감소시키는 것으로 나타났다.
또한 연구팀은 실리콘 기판으로 이동하는 불순물의 양이 훨씬 적어져 소자 성능을 저해할 수 있는 불필요한 경로인 기생 채널 형성을 방지하는 데 도움이 된다는 사실도 발견했다. 이러한 개선은 RF 성능에 상당한 영향을 미친다. 이 기술은 기생 전하 및 관련 손실을 줄임으로써 저비용 GaN-on-silicon 소자에 기존보다 훨씬 높은 선형성을 제공한다. 선형성 향상은 통신 및 센싱 시스템에서 신호 품질 개선과 효율성 증대로 이어질 수 있다.
이런 연구 성과로 인해 GaN-on-silicon 소자는 실리콘의 비용 및 제조상의 이점을 유지하면서도 더 비싼 반도체 기술에 거의 필적하는 성능을 발휘할 수 있게 되었다. 이미 이동통신망, 위성 통신, 방산 레이더 시스템 등 다양한 분야에서 널리 사용되는 이 소자가 군사 미사일 추적 시스템에 적용될 경우 성능 향상을 통해 방어 능력을 10배까지 끌어올리는 것도 가능해진다.
과제는 기술의 성능을 지속적으로 개선하는 동시에 공정의 일관성과 반복성을 보장하는 일이다. 그래야만 이 기술의 상용화가 가능하기 때문.
